内容简介 以生物滤池的问世为标志的生物膜反应器技术已经走过了100多年的发展历程,与活 性污泥法一起共同成为现代污水处理技术的最重要组成部分研究与实践均已经表明,在 许多情况下,生物膜法不仅能代替活性污泥法用于城市污水和工业废水的二级生物处理, 而且还具有一些独特的优点,如运行稳定、抗冲击负荷、更为经济节能、无污泥膨胀问题、 具有一定的硝化与反硝化功能、可实现封闭运转防止臭味等。随着配套技术与材料的突破 性进展,近年来生物膜工艺得到了广大研究者和工程技术人员的极大关注,发展相当迅速, 对生物膜特征的认识和基础理论研究不断加深,已有的实际工艺日臻完善,同时出现了多 种新型的生物膜反应器工艺和各种组合工艺,逐步形成了一套较完整的生物膜法污水生物 处理工艺系列。 针对生物膜技术发展迅速并得到国内外工程界高度重视的现实情况,以及国内读者 迫切希望较全面了解生物膜技术的最新理论发展和应用实践的实际需要,本书全面、系 统和深入地阐述了有关生物膜反应器的原理与实际应用,充分反映生物膜反应器技术在 污水处理领域的国内外最新研究进展和应用,并根据作者多年研究经历和体会,系统介 绍了生物膜反应器及反应过程的研究方法本书对生物膜技术的工程应用和进一步研究 具有重要的指导和参考作用,对进一步研究与开发高效、节能、省地、低成本、低费用 的生物膜反应器新工艺可以起到积极的推动作用。 全书共10章,第1章概述了生物膜反应器的发展沿革、类型、特征和发展趋势;第 2章阐述了微生物在载体表面的固定机理、特性和各种影响要素;第3章详细介绍了各种 生物膜载体、载体选择和细胞固定技术;第4章论述了生物膜的净化机理、增长动力学、 基质去除动力学及动力学参数;第5章介绍了生物膜微生物能量代谢的PRT理论、 HERBERT理论、分离理论及数学模型;第6章详细描述了各种生物膜分析技术,包括生 物膜的含量确定、组分测定、厚度测定、活性分析、结构观察和活性标记等;第7章全面 分析了影响生物膜反应器运行的主要工艺参数和环境因素;第8章系统介绍了生物滤池、 生物转盘和淹没式生物滤池等典型生物膜反应器工艺的原理、构造、池型、工艺流程及设 计计算;第9章综合介绍了各种实用新型生物膜反应器工艺和复合式生物膜反应器工艺的 原理、特性和应用;第10章系统介绍了生物膜/悬浮生长联合处理工艺的联合方式、工艺 类型、工艺及相关处理设施的设计考虑等。 本书内容详尽、系统全面,既体现了国内外最新研究成果,具有先进性和理论深度, 又展现了工程应用情况及前景,具有较高的针对性和实用性,可供从事水处理和环境保 护的研究、设计与运行管理人员、高等院校教师和研究生、本科生以及其他与环境科学 与工程有关的专业技术人员参考使用
总序 聂梅生 我国水处理技术的发展历程是与不同历史时期的经济、社会发 展及人民生活水平密切相关的。总体来看,在给水与废水处理技术 方面曾经历了以解决量的需求为主要目标的第一阶段,此间的水处 理技术主要是围绕着满足水量供应为主题展开;经济的快速发展引 发了环境污染问题,随着水污染形势日趋严峻,水处理技术开始了 以环境保护为背景的第二阶段,这期间的技术研究围绕着去除各类 污染物以达到水质指标为目的而进行;全球性的环境污染和资源短 缺引发了人们对发展问题的重新思考,可持续发展观念的提出使现 阶段环境领域的技术逐步发生了战略性转折,这期间水处理技术不 仅由单项技术走向综合集成并加速产业化、市场化转移,更重要的 是逐步走向以人为本的发展道路,这正是可持续发展的最终目标 本丛书作为国家“九五”重点科技攻关项目的成果之一,希望 能反映我国水处理技术的前沿,并以此献给从事给水和废水处理事 业的广大读者。 1999年11月
前言 在当今世界,污水处理技术的不断发展和工程应用已经成为维系社会经济可持续发展 的必要组成部分。基于物理、化学和生物学原理的各种污水处理工艺不断出现,其中生物 处理技术的应用最为广泛,已经成为城市污水和有机工业废水处理的主流工艺。 在污水生物处理工艺的发展和应用中,活性污泥法和生物膜法一直占据主导地位。随 着新型滤料的开发和配套技术的不断完善,与活性污泥法平行发展起来的生物膜工艺技术 得以快速发展,既独立又几乎已经结合到污水处理的各种其他工艺中,这是因为生物膜法 具有诸多优点,包括:处理效率高,耐冲击负荷;体积小,便于运行管理,困扰活性污泥 法的污泥膨胀问題在此得以消除;可以维持较高的污泥龄,生物桕相对稳定,具有较高微 生物量,水力停留时间大为缩短;对毒性物质和冲击负荷具有较强的抵抗性;可以实现封 闭式运转,解决臭味问题,等等。因此,近年来国内外许多研究者和工程技术人员无论从 理论上还是实际应用方面都进行了大量的研究和工程实践,并取得了丰硕的成果。 本书作为“九五”国家重点科技攻关计划《污水处理与水工业关键技术研究》项目(编 号%6909)《城市污水处理技术集成与决策支持系统建设》专题(编号96-9090101)的 污水处理技术集成化系列研究成果之一,基于作者多年来在国内外从事生物膜反应器研究 的最新成果与切身体会,旨在全面、系统和深入地阐述有关生物膜反应器的原理与实际应 用,充分反映生物膜反应器技术在污水处理领域的国内外最新研究进展和应用,如生物膜 在载体表面的固定机理、生物膜微生物的能量代谢理论、复合式生物膜反应器、生物膜 悬浮生长联合处理工艺等,并根据自身的多年研究经历,系统介绍了生物膜反应器及反应 过程的研究方法,包括生物膜厚度、生物膜量、生物膜活性的各种测量、测定技术以及模 型的选择等。我们期望本书的出版对进一步研究、探索和应用高效、节能、省地、低成本、 低费用的生物膜反应器新工艺起到积极的作用 本书第2、3、4、5、6章由刘雨编写,第I、7、8、9章由赵庆良编写,第10章由郑 兴灿、晋荣编写。全书由赵庆良统稿、郑兴灿定稿。 本书的编写工作由建设部科技司组织领导,并得到国家城市给水排水工程技术研究中 心的大力支持,在此谨表示衷心的感谢。 由于编著者水平有限,经验不足,书中错误和不当之处在所难免,热忱欢迎同行前辈 和广大读者批评指正。 刘而赵庆良郑兴丛 1999年11月
目录 第1章污水处理中的生物膜与生物膜反应器… 1.1污水与污水生物处理 111污水的来源与污染物 1.12污水生物处理T艺 12生物膜 121生物膜及其形成过程 122生物膜的微生物相 111233466 13生物膜反应器 .3.1生物膜反应器的发展沿革 132生物膜反应器的类型与技术现状...7 13.3生物膜反应器的特征 1.34生物膜反应器的发展趋势 第2章微生物在载体表面的固定机理 由面面卡b由由由 2.1微生物固定的一般过程 211徽生物向载体表面的运送 212可逆附着过程 21.3不可逆附着过程 右 15 214固定微生物的增长 22微生物固定动力学 16 221可逆附着动力学 222徽生物不可逆附着模型 23影响微生物固定的重要因素 2.31悬浮微生物浓度… 232液相pH….... 23.3液相离子强度, 234悬浮微生物的活性 235载体表面结构与性质 2.36水力剪切作用… …28 237接触时间 31 24硝化细菌在载体表面固定的措施 241载体表面处理 242微生物表面改良 第3章生物膜载体的选择与细胞固定技术
目录7 31生物膜载体的种类 31无机类载体… 36 3】2有机类载体 32生物膜载体的选择原则 32机械强度 322物理形态 323生物、化学及热力学稳定性 324亲疏水性及表面电性 325孔隙度及表面粗糙度, 326比重 3.2.7对生物膜活性的影响 .28可再用性… 329价格 33实用微生物固定技术 33.1表面吸附固定技术 332键联固定技术 333细胞间自交联固定技术 334多聚体包埋技术 335孔网状载体截陷固定技术 34备种固定技术的比较 第4章生物膜增长及底物去除动力学 41生物膜净化机理 47 42生物膜增长的一般描述 4.3生物膜增长动力学 4.3.1生物膜增长速率方程 4.3.2 Capdeville生物膜增长动力学体系 44底物去除动力学 为生分 441反应-扩散模式 ,60 442表面反应模式 45动力学参数的确定 4.5.1生物膜的比增长率 452底物比去除率(q) 453生物膜产率系数(Y) 454生物膜最大活性厚度(Th2)x 45.5生物膜密度(p)… 456半级反应常数〔k12)… 457有效扩散系数(D2)… 4.5.8生物膜理论最大活性厚度(Th2)mx1 4.6附录…
8目录 461 Monod方程的理论推导… 462底物在生物膜的扩散能力 81 463生物膜理论中常用速率表达式… 第5章生物膜微生物的能量代谢理论 5PT维持能方程. ,+围卡,?? 52修正的PT维持能方程 53微生物内源呼吸代谢, 54PRT理论与 HERBERT理论的比较 55微生物能量代谢分离理论 551富底物培养的特性, 552底物过度利用动力学 553富底物条件下微生物产率模型 5.54富底物条件下能量分离模型 55.5微生物能量代谢生物数学模型一览 5.56模型验证 55.7微生物能量分离理论的工程意义… 第6章生物膜分析技术 61生物膜重量的确定, 611生物膜干重 61.2生物膜TOC 100 61.3生物膜COD 0 614生物膜多聚糖 61.5生物膜总蛋白质 62生物膜厚度的确定 0 621直接显微法 622微米计阻力法 62.3微米计电导法… 102 624膜侧线法 62.5间接计算法 63生物膜活性分析… ……03 63lATP法 103 632IT法 633TTC法 634DNA法.……1 635总蛋白质法 63.6耗氧率的测定 637活性胞平板计数法 64生物膜结构与活性观察 64]生物膜一般结构与种群分布
目录9 642桔黄夹氮蒽染色荧光显微镜观察 643生物膜结构的电镜观察 644INT标记活性生物膜法 110 65附录 +4、,4、 10 65.1典型生物过程的测量参数 10 652典型生物过程自动监控示意图 第7章影响生物膜反应器运行的主要因素…112 71进水底物浓度…… 7.2营养物质 73水力停留时间与负荷率 731完全混合间歌反应器 .117 7.32完全混合连续反应器 733完全混合连续串联反应器….1 118 734推流反应器 …118 73.5扩散推流反应器 118 74水力剪切力 20 75溶解氧… 76PH值 7.7温度 7.8抑制及毒性作用 第8章典型生物膜反应器工艺 81生物滤池… 8.1普通生物滤池 812高负荷生物滤池 8.3塔式生物滤池 814厌氧生物滤池 815活性生物滤池 82生物转盘 821好氧生物转盘 822厌氧生物转盘… 83淹没式生物滤池… 831淹没式生物滤池的构造 +本 832淹没式生物滤池的池型… 833淹没式生物滤池的典型工艺流程 152 834淹没式生物滤池的设计与计算 第9章实用新型生物膜反应器工艺… 155 91生物流化床 9.1.1两相流化床…… 455 912三相流化床
10目录 91.3厌氧流化床 …158 92厌氧生物膜膨胀床 159 93微孔膜生物反应器 16l 94移动床生物膜反应器… 62 95复合式生物膜反应器, 951活性污泥生物膜反应器 952序批式生物膜反应器 953升流式厌氧污泥床厌氧生物滤池 954附着生长污水稳定塘 第10章生物膜悬浮生长联合处理工艺… 10.1概述 10.2生物膜/悬浮生长联合处理工艺类型 174 1021活性生物滤池(ABF)工艺 176 10.22普通生物滤池/固体接触(TF/SC)工艺 10.23粗滤池/性污泥(RFAS)工艺 10.24生物滤池活性污泥(BFAS)工艺… 1025普通生物滤池/活性污泥(TFAS)工艺 1026其他联合处理工艺… 88四y 10.3联合处理工艺的设计要点 1031主要设计考虑因素… 032生物膜反应器… 10.33悬浮生长反应器 1034其他联合处理工艺 103.5污泥产生与沉降 10.36出水水质与氮、磷营养物去除… 104联合处理工艺处理设施的设计 104]生物膜反应器,… 1042悬浮生长反应器 ……192 1043其他联合处理工艺 105生物膜出水澄清要求与能力 192 主要参考文献 索引 212
第1章污水处理中的生物膜与生物膜反应器 任何一个地区或环境,只要有人类的日常生活和生产活动存在,就必然会产生污水, 而这些污水如果未经任何处理就排放到水环境中,就不可避免地造成水环境的污染,危害 人民身心健康,危害工农业生产。污水中的污染物质种类繁多,但主要是有机污染物, 般多采用生物处理法予以去除。在污水的生物处理工艺中,微生物根据其生长条件或处于 悬浮生长状态,或处于附着生长状态,附着生长的微生物便形成了生物膜。自本世纪初污 水生物处理技术出现以来,应用附着微生物的生物膜反应器就一直发挥着不可忽视的作 用,在科技快速发展的今天,其作用亦愈来愈大,其应用也越来越广。本章将首先对污水 的来源与污染物、生物膜及生物膜反应器分别加以简要阐述,使读者对此有一个概括性的 1.1污水与污水生物处理 11.1污水的来源与污染物 污水是人们在生活与生产过程中使用过的含有各种污染物的水,主要来源于城镇的住 宅、工厂和各种公共建筑设施。例如,在人们的日常生活中,盥洗、淋浴、洗涤和卫生设 备等均排出生活污水;在工农业生产中,几乎所有的工厂、厂矿或车间亦均排出工业废水。 我国的污水水量相当庞大,据统计,自1985年以来,我国污水年排放总量一直维持在 350-400亿m3左右,1997年污水排放量达到最高值416亿m3,其中工业废水排放量227 亿m3,市政污水排放量189亿m3,污水中化学需氧量(COD)排放量达1757万t,其中 工业废水COD排放量1073万t,市政污水COD排放量684万to 般说来,污水中的主要成分仍然是水,占999%或更高,而全部固体物质仅占01% 或者更低些(秦麟源,1989)。这些固体物质在水中以悬浮态(粒径>1μm)、溶解态(粒 径<01μm)和胶体状态(粒径介于0001-0.1μm之间)的形式存在,其量的多寡,也就 反映了水中污染物质的含量和水受污染程度的高低。 污水中的污染物质按其化学性质可以分为无机物和有机物。无机污染物主要包括无机 盐(如So々、S2和CI等)、酸、碱、重金属(如Hg、Cd、Cr、Pb、Zn、Cu等)离子 毒性无机物(如CN和As等),以及氮(N)、磷(P)等植物性营养物质,这些污染物 质大多数主要来源于生产或应用含这些物质的特种工业,在污水排入城市排水管网前多采 用物理、化学或物理化学法进行去除该类污染物的特种处理。有机污染物主要包括以碳 (C)元素为主要化学成分的植物性污染物质(如蔬菜、果皮及各种植物碎片等)和以C N为主要化学成分的动物性污染物质(如人畜粪便和动物组织碎片等),对于中等强度的 污水来讲,75%的悬浮固体和40%的可滤过性固体均为有机物质( Metcalf Eddy,1991) 污水中的有机污染物质种类繁多,成分复杂,但对于生活污水来说,归纳起来主要有
2第1章污水处理中的生物膜与生物膜反应器 蛋白质(40%-60%)、碳水化合物(25%~50%)和油脂(10%),此外还含有一定量的 尿素( Metcalf&Eldy,1991)。蛋白质是构成动物体的主要成分,它除含有C、H和O 外,还含有约16%的N,其分子量在2万至2千万之间,有的溶于水而有的则不溶于水 其来源主要是动物类食品(如瘦肉等)和植物类食品(如各种豆类等)。碳水化合物广泛 存在于自然界中,主要有糖类、淀粉、纤维素和木质素,其化学组分主要是C、H和O 低分子量的糖类溶于水而其他高分子量的则不溶于水。油脂也是食物的主要组成成分,主 要源于动植物油和动物的脂肪,多数不易溶于水。 有机污染物的共冋特点就是不稳定,在水环境中进行氧化分解消耗水中的溶解氧,而 在缺氧或厌氧的条件下则发生腐败发酵,释放出H2S、NH2和CH等有毒并具臭味的气体, 恶化水质,破坏水体。在受到有机物严重污染的水体中,水中溶解氧接近于零,水生生态 平衡遭到破坏,水生生物的生长受到抑制或死亡,如鱼类在溶解氧低于4mgL的水体中 就不易生存。同时,有机物又是包括病原菌在内的很多微生物的食物,水中有机物增多 为微生物的繁衍创造了更为有利的条件,也蛻意味着水传播疾病增加的可能性。因此,控 制与去除水中的有机污染物是污水处理工程中的主要任务之一,使污水中挟带的污染物质 (主要是有机物),通过微生物的代谢活动予以转化与稳定,正是污水生物处理的主要目 的 由于污水中的有机物的种类非常多,已有的分析技术难以将其逐一区分和定量,且在 实际工程中似乎也没有这个必要,因而常采用以下几个综合污染指标来反映污水中有机污 染物的浓度,即生化需氧量、化学需氧量、总需氧量和总有机碳等。生化需氧量(BOD) 是在有氧的条件下微生物降解有机物所需的氧量,因该生化过程进行得很慢(如在20℃ 时需时120d以上),在实际中常采用20℃培养5d的五日生化需氧量(BOD3)作为检 验指标,BOD3约等于全生化需氧量(BOD2)的70%-80%化学需氧量(COD)是用KCrO2 等强氧化剂在酸性条件下氧化污水中的有机物所消耗的氧化剂量折合成的氧量(O2 因能有98%左右的有机物均可被氧化,故COD能够较完全地代表水中有机污染物的总量。 总需氧量(TOD)是在900°C的高温条件下将污水中能被氧化的有机物质燃烧氧化生成 稳定的氧化物(诸如CO2、H2O、NO2和SO2等)时所消耗的氧气量,多通过TOD分 仪测定。总有机碳(TQC)是以C元素含量来反映污水中有机物总量的一种水质指标, 它是在950C高温下以铂为催化剂使水样气化燃烧后测定气体中CO2的含量,由此确定 水样中的C元素总量,并在此总量中减去碳酸盐等无机C元素含量(通过低温150℃燃 烧获得)即可得到总有机碳TOC的值,多通过TOC分析仪进行测定。对大多数污水来讲, BOD3、COD和TOC等指标之间都存在着一定的关系,它们之问的具体比值随不同性质 的污水而异,对于生活污水,有机物污染指标之间的比值基本稳定,例如(秦麟源,1989) BODy/COD=040-04,BOD/TOC=1.38,COD/TOC=3.13~3.45。此外, BODy/COD的 比值可以用来判断常规污水是否易于生化处理,一般认为 BOD,COD大于03的污水才 适合于采用生化处理。 1.12污水生物处理工艺 污水生物处理的主要去除对象就是呈溶解态和胶体状态的有机污染物质,利用微生物 的新陈代谢作用使之转化成为稳定的无害化物质。在发达国家,为控制水体的有机污染普 遍采用二级生物处理工艺,如美国约有污水处理厂18000座,其中84%为二级处理厂
